基于歷史和衛(wèi)星資料的中國近海海表面溫度長期變化趨勢的綜合分析

孟慶佳,施建偉,劉 娜,王 凡

(1.中國科學院 海洋環(huán)流與波動重點實驗室 中國科學院 海洋研究所 山東 青島 266071; 2.中國科學院研究生院 北京 100039; 3.中國人民解放軍總參謀部氣象水文局,北京 100081; 4.國家海洋局 海洋災害預報技術研究重點實驗室,國家海洋環(huán)境預報中心 北京 100081)

海表面溫度(SST)是海洋熱力、動力過程以及海洋與大氣相互作用的綜合結果,是影響海面水汽交換和熱通量的一個重要因素,同時也是研究海洋環(huán)流、水團、海洋鋒、上升流和海水混合等問題的主要參量。近年來,全球氣候變化問題已經(jīng)得到越來越廣泛的關注,許多專家學者對全球海洋升溫現(xiàn)象也進行了諸多的研究。Cane等[1]對20世紀的SST變化趨勢進行了分析,指出赤道太平洋東－西溫度梯度逐漸增大。Levitus[2]在全球和海盆尺度上分析了海洋氣候變化時間序列,給出了 1955~2003年全球海洋熱含量增長情況。但由于觀測資料匱乏,目前國際上對邊緣海SST的長期變化情況則普遍缺少研究。

中國近海位于北太平洋的西部,是典型的邊緣海,包括渤海、黃海、東海和南海。很多專家學者對中國近海的溫度分布及變化進行了分析。Park等[3]利用COADS資料,認為東亞邊緣海的SST年際變化主要與赤道中太平洋變化有關,而年代際變化主要與赤道西太平洋相關。鮑獻文等[4]利用AVHRR衛(wèi)星資料認為冬季 SST明顯受海域(水平)流系結構的影響,夏季則顯著地受地形、海角及海水混合引起的低冷海水上升的影響。于非等[5]利用AVHRR衛(wèi)星資料研究了東海表面溫度的長期變化趨勢,發(fā)現(xiàn)變異最大的區(qū)域在東海北部由長江口至濟州島南部區(qū)域。陳永利等[6]利用 40 a的歷史數(shù)據(jù),分析指出東海冷渦區(qū)存在明顯的年際和年代際變化且與黃海暖流、氣候躍變關系密切。唐曉暉等[7]利用歷史資料指出在1957~1996年期間,東海北部夏季增溫主要是黑潮流量增強的影響,冬季主要與氣候系統(tǒng)變遷有關。由于缺乏長時間的數(shù)據(jù)觀察,對于中國近海 SST長期的變化趨勢情況,仍然缺少研究和討論。介于此,本文主要利用中國科學院海洋研究所“中國海樣科學數(shù)據(jù)庫”多年的溫度資料,并以 Pathfinder衛(wèi)星數(shù)據(jù)加以輔助說明,對中國近海的 SST多年變化情況進行了分析討論。

1 資料及處理方法

本文所研究的中國近海范圍為 23°~41°N,117°~130°E,主要涵蓋渤、黃、東海。歷史數(shù)據(jù)資料則來自中國科學院海洋研究所“中國海洋科學數(shù)據(jù)庫”。該庫全面收集整理了我國近海及毗鄰洋區(qū)的各類原始觀測資料,包括1957年以來全國海洋普查數(shù)據(jù)等歷次大規(guī)模海洋綜合調(diào)查的中國海多學科調(diào)查數(shù)據(jù); 20世紀80年代以來熱帶西太平洋海氣相互作用等歷次大型國際合作調(diào)查的中國海、西太平洋的調(diào)查數(shù)據(jù); 以及以WOD01為主的來自幾十個國家和地區(qū)的海洋大面站觀測數(shù)據(jù)(1900年至今,含南森站、CTD、XBT、MBT、STD、BT等)。該數(shù)據(jù)庫采用了嚴格質(zhì)控方法以消除數(shù)據(jù)庫中重復的、錯誤的以及人造數(shù)據(jù)(王凡等[8])。該數(shù)據(jù)庫曾被用來研究東海的熱動力結構(陳永利等)和變暖趨勢(唐曉暉等),以及中國海的逆溫躍層變化(郝佳佳等[9])。由于本文研究區(qū)域范圍較大,在處理資料時將數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進行區(qū)域平均為1°×1°的分辨率。作為對比,我們也分析了AVHRR Pathfinder SST V4.1的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)是 NOAA/NASA提供的 1985~2002年月平均SST,分辨率為 9.24 km×9.25 km(約 0.5°×0.5°網(wǎng)格) (Vazquez 等[10])。

歷史資料在時間上分布不均勻,在1963年以前和1996年以后存在較大缺省,因此本文采用的時間跨度是1963~1996年; 此外,歷史資料在空間上分布也不均勻,在近岸海域缺省較多,而在遠岸海域資料相對豐富,因此本文主要對中國近海遠岸海域的SST變化趨勢進行分析。我們將每年的6,7,8月作為夏季,將12月、次年的1,2月作為冬季,在每一網(wǎng)格點的時間序列采用最小二乘法求得線性回歸,分別計算夏季和冬季的SST變化趨勢,單位是℃/a。

2 變化趨勢分析

圖1是基于歷史資料的1963~1996年中國近海夏季和冬季SST的變化趨勢分布。從圖1中可以看出中國近海 SST變化趨勢主要以增溫為主,同時存在明顯的地區(qū)和季節(jié)差異。夏季增溫的海域占中國近海海域的72%,主要集中于閩浙沿岸東海海域、渤海和黃海部分海域(圖1(a))。其中閩浙沿岸、北黃海部分海域增溫顯著,SST變化趨勢超過0.04 ℃/a,而東海大部分海域SST變化趨勢可以達到0.02 ℃/a。夏季降溫的海域主要集中于南黃海東部、山東半島以南沿岸部分海域,其中南黃海東部降溫顯著,SST變化趨勢超過-0.02 ℃/a。冬季的增溫海域更大,可以達到76%,主要集中于沿岸大部分、東海南部、黃海海域(圖1(b))。其中閩浙沿岸、濟州島附近海域增溫顯著,SST變化趨勢超過0.06 ℃/a,東海大部分海域SST變化趨勢在0.02 ℃/a左右。冬季降溫海域主要集中于渤海、北黃海以及東海部分海域,其中在27°N,124°E附近有一降溫帶,SST變化趨勢達到-0.02 ℃/a。同夏季相比,冬季的增溫范圍更廣、增溫幅度更大,這說明中國近海 SST的季節(jié)循環(huán)幅度逐漸減小,這與全球變暖情況下,熱帶范圍擴展,溫帶向兩極靠攏的大趨勢是一致的。

由于本文所用衛(wèi)星資料起始于1985年,并且歷史資料在1996年之后存在部分缺省,因此我們選取1985~1996年這一時間跨度的 SST變化序列來進行資料間的對比分析(圖1(c)和(d))。從圖中可以看出中國近海 SST變化趨勢仍然主要以增溫為主,增溫幅度同樣存在地區(qū)和季節(jié)的差異。夏季增溫的海域占58%,主要集中于東海遠岸海域、北黃海部分海域,其中31°N,125°E附近有一顯著增溫中心,SST變化趨勢超過0.15 ℃/a(圖1(c))。夏季降溫海域主要集中于南黃海東南部、對馬海峽南部、東海近岸海域,降溫幅度可以達到-0.15 ℃/a。冬季大部分海域呈現(xiàn)增溫趨勢,范圍可以達到 86%,其中沿岸海域增溫顯著,另外,31°N,125°E 附近 SST 變化趨勢超過0.15 ℃/a(圖1(d))。冬季降溫海域主要是臺灣島東北和東海北部,降溫幅度達到-0.15 ℃/a。同圖1(a)和(b)相比,SST變化趨勢的增溫幅度顯著加大,冬季的SST變化趨勢空間分布一致性高,只是東海的降溫中心偏南; 夏季的不同之處主要位于沿岸海域,而在遠岸海域變化一致,這可能是由于歷史資料在近岸缺省較多,主要集中于遠岸的緣故。

Pathfinder衛(wèi)星資料 1985~1996年的中國近海SST夏季和冬季的變化趨勢表明,中國近海增溫顯著(圖 2)。夏季增溫海域達到96%,在渤海、山東半島南部及至長江口海域增溫最為顯著,SST變化趨勢可以達到0.16 ℃/a,而東海大部分海域SST變化趨勢在0.04 ℃/a左右。夏季只在南黃海東部海域呈現(xiàn)降溫趨勢(圖2(a))。冬季增溫海域為93%,黃海和東海北部海域最為顯著,SST變化趨勢可以達到0.12 ℃/a,而在臺灣東北部、長江口附近海域以及東海東北部出現(xiàn)弱降溫中心(圖2(b))。

3 兩種資料結果的異同及其成因分析

綜合比較歷史資料和衛(wèi)星資料,可以得出,在中國近海,增溫是最主要的特征,同時存在地區(qū)和季節(jié)的不同。兩者在冬季表現(xiàn)一致,升溫趨勢占主導,只是東海部分海域降溫; 在夏季東海海域一致增溫,主要不同在近岸海域和南黃海東部海域,歷史資料是明顯的降溫趨勢,而衛(wèi)星資料則是增溫趨勢,表現(xiàn)截然不同。一方面近岸海域的溫度變化受局地的影響較大,與外海相比,振蕩明顯,同時,歷史資料在近岸海域數(shù)據(jù)較少且存在時空不均勻性,導致歷史資料夏季在近岸海域誤差較大,與衛(wèi)星資料存在顯著差異。而在外海地區(qū)如黑潮流域,歷史資料數(shù)據(jù)量大且分布均勻,與衛(wèi)星資料一致,如在東海西南海域27°N,121°E附近,歷史資料有一增溫中心,與衛(wèi)星資料吻合。接下來本文就南黃海南部海域(35°~37°N,124°~126°E)進行詳細闡述。

圖1 歷史數(shù)據(jù)1963~1996年和1985~1996年的夏季和冬季海表面溫度變化趨勢分布Fig.1 Spatial patterns of long-term trend of sea surface temperatures (SST) during 1963~1996 and 1985~1996 in summer and winter from the historical data set

圖3顯示了歷史資料1957~1996年和衛(wèi)星資料1985~1996年南黃海東部海域夏季和冬季的 SST變化時間序列。歷史資料表明在夏季呈現(xiàn)出年代際變化,20世紀60年代增溫顯著,70年代和80年代弱降溫,在 90年代以來呈現(xiàn)增溫趨勢,但是整個時間序列的線性趨勢為降溫; 衛(wèi)星資料顯示在1985年以來升溫顯著,特別是 90年代以來升溫現(xiàn)象更加明顯,兩者相關系數(shù)僅為0.27(圖3(a))。歷史資料SST在冬季 60年代初期達到最高溫,之后劇烈降溫,整個時間序列表現(xiàn)為降溫,但是在 1985~1996年為穩(wěn)定升溫,升溫趨勢達到了0.05 ℃/a,衛(wèi)星資料在這一時間段里增溫顯著,兩者相關性高,相關系數(shù)超過了0.85(通過了99%的顯著性檢驗)(圖3(b))。

圖2 衛(wèi)星資料1985~1996年的夏季和冬季SST變化趨勢分布Fig.2 Spatial patterns of long-term trend of SST from the AVHRR Pathfinder satellite data during 1985~1996

圖3 南黃海東部海域夏季和冬季海表面溫度異常時間序列Fig.3 Time-series of SST anomaly in the eastern South Yellow Sea in summer and winter

歷史資料和衛(wèi)星資料夏季在1985~1996期間分別為降溫和增溫趨勢,為此,我們進一步分析 1985年后的SST變化情況。圖4是1986~1996年和1987~1996年夏季和冬季的SST變化時間序列。夏季歷史資料在1986~1996年增溫,變化趨勢為 0.029 ℃/a,同衛(wèi)星資料的相關系數(shù)僅為0.18(圖4(a)); 在1987~1996年的時間段中,增溫顯著,變化趨勢是 0.112 ℃/a,同衛(wèi)星資料的相關系數(shù)提升到了0.43(圖4(c))。

圖4 南黃海東部海域夏季和冬季不同時間跨度的海表面溫度異常時間序列Fig.4 Time-series of SST anomaly in the eastern South Yellow Sea at different times

由上分析可得出時間段的選取對SST的變化趨勢分析影響較大,通過之前歷史資料的南黃海東部海域夏季和冬季的 SST異常分布情況對比,可以看出在早期呈現(xiàn)較高的溫度,這樣導致了在整個時間序列里表現(xiàn)為降溫趨勢。時間段的選取在冬季也存在同樣的影響,但明顯小于夏季的,在冬季兩種資料一致性高。這可能是有兩方面原因,一是由于衛(wèi)星測的是海表面溫度,而現(xiàn)場測的是海面下 1 m深度附近的溫度,而在冬季,由于混合作用強烈,兩者差別不大; 在夏季強烈的太陽輻射使海洋產(chǎn)生層化,表面溫度高于現(xiàn)場實測海溫,從而使現(xiàn)場觀測產(chǎn)生誤差; 另一方面,很可能是由于系統(tǒng)誤差引起的差異,歷史資料的時空不均勻性,使得其與衛(wèi)星資料存在差異。

4 小結和討論

本文對中國近海近幾十年來SST變化趨勢的空間分別進行了分析說明,同時對歷史資料和衛(wèi)星資料進行了對比分析。研究結果表明中國近海SST變化主要以增溫為主,但增溫幅度存在明顯的地區(qū)和季節(jié)差異。夏季東海大部分海域特別是黑潮主干海域增溫顯著,南黃海東部海域降溫。冬季海域增溫更加顯著,只是東海部分海域降溫。1985年后,中國近海 SST變化趨勢顯著加強,冬季增溫范圍擴大。通過對代表海域的分析,表明在不同時間段,SST的變化趨勢存在不同。兩種資料在冬季變化趨勢相似,相關性高。在夏季,近岸海域由于歷史資料的缺省和時空不均勻性導致與衛(wèi)星資料不同,在外海,強烈的太陽輻射產(chǎn)生的層化,引起(歷史資料)觀測差異,可能是引起兩種資料差異的另一個因素。

綜上,中國近海特別是東海,增溫是主要的特征,冬季增溫趨勢更為顯著,1985年后SST變化趨勢加劇,歷史資料的變化趨勢高于衛(wèi)星資料。通過對代表海域的分析進一步驗證了增溫這一特征以及兩種資料間的高度一致性,同時也表明1985年后SST增長加劇。關于渤、黃、東海等各個海域的多年 SST的變化時間序列的分析,以及影響中國近海溫度變化的機制及影響因子,將在以后的文章中進行分析。

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